Tanyakan Ethan: Seberapa besar seluruh alam semesta yang tidak dapat diobservasi secara keseluruhan?

Gambar dari teleskop Hubble menunjukkan sekelompok besar galaksi PLCK_G308.3-20.2 yang bersinar terang dalam gelap. Seperti inilah bagian besar dari Alam Semesta yang jauh. Tetapi seberapa jauhkah Semesta yang dikenal itu meluas, termasuk bagian yang tidak dapat kita amati?

13,8 miliar tahun yang lalu ada Big Bang. Semesta dipenuhi dengan materi, antimateri, radiasi, dan ada dalam bentuk superhot dan superdense, tetapi berkembang dan mendingin. Hingga saat ini, volumenya, termasuk Alam Semesta yang kami amati, telah meluas ke titik bahwa jari-jarinya 46 miliar tahun cahaya, dan cahaya yang hari ini masuk ke mata kita untuk pertama kalinya sesuai dengan batas-batas apa yang bisa kita ukur. Dan apa selanjutnya? Bagaimana dengan bagian alam semesta yang tidak dapat diamati? Inilah yang ingin diketahui oleh pembaca kami:

Kita tahu ukuran alam semesta yang diamati, karena kita tahu umurnya (setidaknya dari saat transisi fase) dan kita tahu bagaimana cahaya menyebar. Pertanyaan saya adalah mengapa matematika yang menggambarkan radiasi relik dan prediksi lainnya tidak dapat memberi tahu kita ukuran alam semesta? Kita tahu betapa panasnya dia dan betapa dinginnya dia sekarang. Apakah skala tidak memengaruhi perhitungan ini?

Oh, seandainya sesederhana itu.


Sejarah Semesta didefinisikan serta seberapa jauh ke masa lalu kita dapat melihat dengan bantuan berbagai instrumen dan teleskop. Tetapi kita dapat mengatakan, menggunakan tautologi, bahwa pengamatan kita hanya dapat memberi kita informasi tentang bagian-bagian yang diamati. Segala sesuatu yang lain harus ditebak, dan tebakan ini hanya sebagus asumsi yang mendasari mereka.

Saat ini Semesta dingin dan kental, dan juga mengembang dan memiliki efek gravitasi. Melihat jauh ke ruang angkasa, kita tidak hanya melihat jarak yang jauh, tetapi juga melihat masa lalu yang jauh, karena kecepatan cahaya yang terbatas. Bagian-bagian terpencil dari Alam Semesta tidak terlalu kental dan lebih homogen, mereka memiliki waktu lebih sedikit untuk pembentukan struktur yang lebih besar dan lebih kompleks di bawah pengaruh gravitasi.

Alam semesta awal yang dihilangkan dari kita juga lebih panas. Alam semesta yang mengembang mengarah ke peningkatan panjang gelombang cahaya yang merambat melaluinya. Dengan perpanjangannya, cahaya kehilangan energi, mendingin. Ini berarti bahwa jauh di masa lalu Alam Semesta lebih panas - dan kami mengkonfirmasi fakta ini dengan mengamati sifat-sifat bagian jauh dari Alam Semesta.


Sebuah studi 2011 (titik merah) memberikan bukti terbaik yang tersedia saat ini bahwa suhu CMB lebih tinggi di masa lalu. Sifat spektral dan suhu cahaya yang datang dari jauh mengkonfirmasi fakta bahwa kita hidup di ruang yang mengembang.

Kita dapat mengukur suhu Alam Semesta saat ini, 13,8 miliar tahun setelah Big Bang, dengan mempelajari radiasi yang tersisa dari keadaan awal yang panas dan padat itu. Hari ini, ia memanifestasikan dirinya di bagian gelombang mikro dari spektrum dan dikenal sebagai radiasi peninggalan. Ini cocok dengan spektrum emisi dari tubuh yang sepenuhnya hitam dan memiliki suhu 2,725 K, dan cukup mudah untuk menunjukkan bahwa pengamatan ini bertepatan dengan akurasi mengejutkan dengan prediksi model Big Bang untuk Alam Semesta kita.


Cahaya nyata Matahari (kiri, kurva kuning) dan tubuh yang sepenuhnya hitam (abu-abu). Karena ketebalan fotosfer matahari, itu lebih mengacu pada benda hitam. Di sebelah kanan adalah radiasi peninggalan nyata, yang bertepatan dengan radiasi benda hitam, yang diukur oleh satelit COBE. Perhatikan bahwa penyebaran kesalahan pada grafik di sebelah kanan sangat kecil (sekitar 400 sigma). Kebetulan teori dan praktik itu historis.

Selain itu, kita tahu bagaimana energi radiasi ini berubah seiring dengan perluasan Alam Semesta. Energi foton berbanding terbalik dengan panjang gelombang. Ketika Semesta dua kali lebih kecil, foton yang tersisa dari Big Bang memiliki dua kali lebih banyak energi; ketika ukuran Semesta adalah 10% dari saat ini, energi foton ini adalah 10 kali lebih besar. Jika kita ingin kembali ke saat ketika ukuran Semesta adalah 0,092% dari arusnya, kita menemukan bahwa Semesta ¹⁰⁸⁹ kali lebih panas dari hari ini: sekitar 3000 K. Pada suhu ini, Semesta mampu mengionisasi semua atom yang terkandung di dalamnya. Alih-alih zat padat, cair, atau gas, semua materi di seluruh Semesta adalah dalam bentuk plasma terionisasi.


Alam semesta tempat elektron bebas dan proton bertabrakan dengan foton berubah menjadi netral, transparan untuk foton, saat mendingin dan mengembang. Di sebelah kiri adalah plasma terionisasi sebelum emisi radiasi CMB, di sebelah kanan adalah Universe netral, transparan untuk foton.

Kita sampai pada ukuran Semesta hari ini, memahami tiga masalah terkait:

1. Seberapa cepat alam semesta mengembang hari ini - kita dapat mengukur ini dengan beberapa cara.
2. Seberapa panas alam semesta hari ini - kita bisa mengetahuinya dengan mempelajari radiasi peninggalan.
3. Terdiri dari apa Semesta - termasuk materi, radiasi, neutrino, antimateri, materi gelap, energi gelap, dll.

Dengan menggunakan keadaan Alam Semesta saat ini, kita dapat memperkirakan kembali ke tahap awal Ledakan Dahsyat dan mencapai nilai untuk usia dan ukuran Semesta.


Plot logaritmik dari ukuran Semesta yang diamati, dalam tahun-tahun cahaya, tentang jumlah waktu yang telah berlalu sejak Big Bang. Semua ini hanya berlaku untuk Alam Semesta yang dapat diamati.

Dari seluruh rangkaian pengamatan yang tersedia, termasuk radiasi relik, data supernova, pengamatan struktur skala besar dan osilasi akustik baryon, kita mendapatkan gambaran yang menggambarkan Alam Semesta kita. 13,8 miliar tahun setelah Big Bang, radiusnya adalah 46,1 miliar tahun cahaya. Ini adalah batas dari yang diamati. Segala sesuatu yang lebih jauh, bahkan bergerak dengan kecepatan cahaya sejak Big Bang panas, tidak akan memiliki cukup waktu untuk mencapai kita. Seiring waktu, usia dan ukuran alam semesta meningkat, dan akan selalu ada batas untuk apa yang bisa kita lihat.


Representasi artistik dari Alam Semesta yang dapat diamati pada skala logaritmik. Perhatikan bahwa kita terbatas pada seberapa jauh kita dapat melihat ke masa lalu, jumlah waktu yang telah berlalu sejak Big Bang panas. Ini adalah 13,8 miliar tahun, atau (mengingat perluasan alam semesta) 46 miliar tahun cahaya. Setiap orang yang hidup di alam semesta kita, pada titik mana pun di dalamnya, akan melihat gambaran yang hampir sama.

Apa yang bisa kita katakan tentang bagian Alam Semesta yang berada di luar ruang lingkup pengamatan kita? Kita hanya dapat berspekulasi berdasarkan hukum-hukum fisika dan apa yang dapat kita ukur di bagian yang dapat kita amati. Sebagai contoh, kita melihat bahwa alam semesta dalam skala besar datar secara spasial: ia tidak melengkung baik secara positif maupun negatif, dengan akurasi 0,25%. Jika kita berasumsi bahwa hukum fisika kita diformulasikan dengan benar, kita dapat mengevaluasi seberapa besar alam semesta hingga tertutup dengan sendirinya.


Besaran bagian panas dan dingin dan sisiknya menunjukkan kelengkungan Alam Semesta. Seberapa akurat kita dapat mengukur, itu terlihat sangat datar. Osilasi baryon akustik menyediakan metode lain untuk memaksakan pembatasan pada kelengkungan, dan mengarah pada hasil yang serupa.

Survei langit digital Sloan dan satelit Planck memberi kami data terbaik untuk hari ini. Mereka mengatakan bahwa jika Semesta bahkan membungkuk, menutup dengan sendirinya, maka bagian itu yang dapat kita lihat sangat tidak dapat dibedakan dari yang datar sehingga jari-jarinya harus tidak kurang dari 250 kali radius bagian yang diamati.

Ini berarti bahwa Alam Semesta yang tidak dapat diobservasi, jika tidak ada keanehan topologi di dalamnya, harus memiliki diameter setidaknya 23 triliun tahun cahaya, dan volumenya harus setidaknya 15 juta kali lebih besar dari apa yang kita amati. Tetapi jika kita membiarkan diri kita berdebat secara teoretis, kita dapat dengan meyakinkan membuktikan bahwa ukuran-ukuran Alam Semesta yang tidak dapat diobservasi harus secara signifikan melebihi perkiraan ini.


Alam semesta yang diamati dapat memiliki ukuran 46 miliar tahun cahaya di segala arah dari lokasi kita, tetapi di luar batas ini pasti ada sebagian besar darinya, tidak dapat diamati, bahkan mungkin tak terbatas, mirip dengan yang kita lihat. Seiring waktu, kita akan dapat melihat sedikit lebih banyak, tetapi tidak semuanya.

Big Bang yang panas mungkin menandai penampilan Alam Semesta yang dapat diamati yang kita kenal, tetapi itu tidak menandai asal usul ruang dan waktu itu sendiri. Sebelum Big Bang, Semesta mengalami periode inflasi kosmik. Itu tidak diisi dengan materi dan radiasi, dan tidak panas, tetapi:

• dipenuhi dengan energi yang melekat dalam ruang itu sendiri,
• diperluas pada tingkat yang konstan dan eksponensial,
• dan menciptakan ruang baru begitu cepat sehingga panjang terkecil yang mungkin, <a

Panjang planck [1,6 × 10 ^-35 m], membentang hingga seukuran Semesta yang diamati hari ini setiap 10 ^-32 detik.


Inflasi menyebabkan ruang melebar secara eksponensial, yang dapat dengan cepat mengarah pada fakta bahwa ruang melengkung atau tidak mulus akan terlihat datar. Jika Semesta melengkung, jari-jari kelengkungannya setidaknya ratusan kali lebih besar dari yang dapat kita amati.

Di bagian alam semesta kita, inflasi telah benar-benar berakhir. Tetapi tiga pertanyaan, yang tidak kita ketahui jawabannya, sangat memengaruhi ukuran sebenarnya Alam Semesta, dan apakah itu tidak terbatas:

1. Seberapa besar bagian alam semesta setelah inflasi yang menelurkan Big Bang kita?
2. Apakah ide inflasi abadi itu benar, yang menurutnya Semesta berkembang tanpa batas, setidaknya di beberapa daerah?
3. Berapa lama inflasi berlangsung sampai berhenti dan menelurkan Big Bang?

Ada kemungkinan bahwa bagian Alam Semesta tempat inflasi terjadi dapat tumbuh hingga ukuran yang tidak jauh lebih besar dari yang dapat kita amati. Ada kemungkinan bahwa setiap saat akan ada bukti keberadaan "margin" di mana inflasi berakhir. Tetapi ada juga kemungkinan bahwa Semesta di googles lebih besar dari yang diamati. Tanpa menjawab pertanyaan-pertanyaan ini, kami tidak akan mendapatkan jawaban yang utama.


Banyaknya daerah individual di mana Big Bang terjadi dibagi oleh ruang yang terus tumbuh sebagai akibat dari inflasi abadi. Tetapi kita tidak tahu cara menguji, mengukur, atau mendapatkan akses ke apa yang ada di luar Alam Semesta kita yang dapat diamati.

Di luar batas yang dapat kita lihat, kemungkinan besar, bahkan ada Alam Semesta yang lebih besar, sama seperti kita, dengan hukum fisika yang sama, dengan struktur kosmik yang sama dan peluang yang sama untuk kehidupan yang kompleks. Juga, "gelembung" di mana inflasi berakhir harus memiliki ukuran yang terbatas, terlepas dari kenyataan bahwa sejumlah besar gelembung seperti itu terkandung dalam ruang-waktu yang lebih besar dan berkembang. Tetapi bahkan jika seluruh Alam Semesta ini, atau Multiverse, dapat menjadi sangat besar, itu mungkin tidak terbatas. Faktanya, kecuali inflasi berlanjut tanpa batas waktu, atau Semesta tidak terlahir besar, itu pasti terbatas.


Tidak peduli seberapa besar bagian dari Semesta yang kita amati, tidak peduli seberapa jauh kita dapat melihat, semua ini hanya merupakan sebagian kecil dari apa yang seharusnya ada di sana, di luar.

Masalah terbesar adalah bahwa kita tidak memiliki informasi yang cukup untuk jawaban spesifik untuk pertanyaan itu. Kita hanya tahu cara mengakses informasi yang tersedia di dalam Alam Semesta yang dapat diamati: 46 miliar tahun cahaya ini di segala arah. Jawaban atas pertanyaan terbesar, tentang keterbatasan atau ketidakterbatasan Semesta, dapat disembunyikan di Semesta itu sendiri, tetapi kita tidak dapat mengetahui bagian yang cukup besar untuk diketahui dengan pasti. Dan sampai kita berurusan dengan ini, atau muncul dengan skema licik untuk memperluas batas-batas kemungkinan fisika, kita hanya akan memiliki probabilitas.